I - La croissance et la prolifération des bactéries

I-1 Le développement de la bactérie

La bactérie est l'espèce qui se reproduit le plus rapidement au monde. En effet, celle-ci se multiplie par division cellulaire. Cette division est d’autant plus facilitée par le fait que chaque bactérie ne contient qu’un seul chromosome qui constitue l’élément principal du génome, somme totale du matériel génétique de la bactérie, composé d’un acide nucléique : l’ADN*. Le chromosome bactérien a la forme d’un anneau qui, déroulé, fait un millimètre. La réplication du chromosome fait intervenir 2 fourches de réplication qui avancent le long de celui-ci. De même, tous les organites vivant dans la bactérie grossissent et se divisent eux aussi, alors que la forme s’allonge pour se diviser par fission du corps cellulaire, en 2 bactéries parfaitement identiques en tout point.

Le développement normal des bactéries varient celons différents facteurs, tout d’abord le pH : par exemple, la bactérie Escherichia Coli a un pH dans son cytoplasme avoisinant 7,6 et s’accommode d’un milieu extérieur de 6 à 8, on qualifie cette bactérie de neutrophile. Dans le même principe, il existe des bactéries acidophiles, où le pH interne est de 6,7 et acceptent des pH externes plus bas que 2. Un autre facteur modifiant le développement est la nature du milieu, un milieu pauvre en nutriments aura pour conséquence l’allongement de la bactérie durant la division cellulaire, ce qui aura des effets néfastes sur les organites, la bactérie rejettera des sous-produits du métabolisme éventuellement toxique, et sa croissance sera alors ralentie et la bactérie détruite.

Voyons maintenant de plus près la structure de la bactérie et ses relations avec le milieu. La pression osmotique joue un rôle fondamental dans la vie d’une bactérie. Lorsqu’elle s’exerce à l’intérieur du cytoplasme, cette bactérie tend à gonfler, on parle de pression de turgescence. Le rôle de la paroi est double : elle assure la forme d’ensemble de la bactérie, et empêche la pression osmotique qui s’exerce contre la membrane de détruire la bactérie. Cette membrane cytoplasmique bactérienne est une structure extraordinairement souple et fluide. Le cytoplasme présente, lui, un aspect granuleux dû à la présence, en son sein, de ribosomes et le nucléotide constituant l’ADN. Le cytoplasme contient 18 700 ribosomes, toutes copies d’un même exemplaire et associés par groupe de vingtaine, pour former un millier de polysomes*. 

Voici un schéma simple d'une cellule bactérienne :

Intéressons nous maintenant au fonctionnement de son métabolisme, regroupant des phases d’actions essentielles : l’approvisionnement, où la bactérie puise dans son milieu extérieur les petites molécules et l’énergie dont elle a besoin. Des molécules aux propriétés particulières (ATP*) sont utilisées pour accumuler ces réserves d’énergie. 

I-2  La prolifération exponentielle des bactéries dans l’organisme

Tout d’abord, pour tester la prolifération des bactéries, nous avons réalisé une expérience, dont vous trouverez le protocole et les photographies ci-dessous.

1)Tout d'abord, nous avons réaliser la gélose qui sera le milieu de la culture, nous avons ensuite déposer la solution sur une boîte de pétrie, puis laisser refroidir au réfrigérateur.

2) Apres avoir réaliser la préparation de culture, nous avons voulu y déposer des bactéries, tout d'abord avec un contact avec le doigt, puis en déposant quelques gouttes de sang de boeuf.

3) Durant toute la semaine, nous avons surveillé l'évolution de l'expérience. La semaine suivante nous avons observé les boîtes à pétri au microscope optique et à la loupe binoculaire.

Nous avons pu observer un bacille, mais les résultats n'ont pas été satisfaisants. Nous pensons qu'une prolifération aurait peut-être eu lieu avec le temps.

Voici ce que nous aurions dû voir :

Nous pouvons maintenant analyser les résultats. Théoriquement, la bactérie réplique son chromosome en 40 minutes environ, et met 20 minutes pour se diviser et se séparer en 2 bactéries filles. A partir de ce principe, nous pouvons en déduire qu’une bactérie va en produire 1 000 000 000 au bout de 20 heures : c’est ce que l’on appelle la croissance exponentielle. Lorsque le nombre de descendants augmentent suffisamment, un amas de bactéries devient visible : il s'agit d'une colonie bactérienne.

Voici le graphique schématisant cette prolifération :

Soit :  T_1/2    temps de division cellulaire (période de réplication)

          t       un temps quelconque

n       nombre de cycles

           

Soit :  x₀                     nombre de bactéries au temps t₀

x       nombre de bactéries au temps t

En milieu de culture artificiel non renouvelé, on peut distinguer quatre phases caractérisant la croissance bactérienne. Tout d'abord la phase de latence (1), où les bactéries initient leur activité enzymatique ainsi que leurs synthèses. Puis la phase de croissance exponentielle (2),  où les bactéries puisent abondamment tous les éléments nécessaires à leur développement : la croissance est alors décrite par les lois précédemment énoncées. Lorsque la population de bactéries a épuisé les ressources du milieu, elles ne se reproduisent plus et vivent sur leurs réserves, durant la phase stationnaire (3). Enfin, le milieu pollué par les déchets des bactéries devient toxique, et elles meurent : c'est la phase de déclin (4).

Voici comment une bactérie peut donner naissance à un nombre impressionnant de bactéries au cours du temps :

D'après ces chiffres, nous pouvons dire que les bactéries sont à n'en pas douter les envahisseurs biologiques les plus rapides.

Voici un schéma de la prolifération des bactéries vue d'un peu plus près :

Faisons un peu de mathématiques et penchons nous sur le phénomène de croissance exponentielle (phase 2 du graphique représentant la prolifération des bactéries). Voici un petit graphique montrant d'un peu plu près cette croissance :

Deux variables x et y ont été relevées concernant une population (ici une population de bactéries). Si le nuage de points M (x_i ; y_i) se rapproche de la courbe ci-dessus de la fonction exponentielle, on dit qu’il y a croissance exponentielle (ce qui est le cas avec la croissance des bactéries).

La fonction f exponentielle est définie par : f(x)=e^x (le réel e≈2,71828 donc e^x=(2,71828)^x).

L’équation de la courbe C de f (fonction exponentielle) est la suivante :

y = e^β x e^αx